中国科大揭示相同晶体结构中不同拓扑陈数的物理起源

　　近日，中国科年夜郭光灿院士团队何力新研究组正在单层二维磁性资料的量子变态霍尔效应研究范畴取患上重要进展。研究团队说明，正在晶体布局彻底不异的M₂X₂单层系统中，为什么可以或许波动浮现C=1与C=2等没有同拓扑陈数态。经由过程体系阐发其能带拓扑演变纪律，团队构建了一个同一形容没有同陈数拓扑相造成机制的实践框架，展现了高陈数态发生的物理发源。相干结果以“Intrinsic High Chern Numbers in Two-Dimensional M₂X₂ Materials”为题，12月17日颁发正在《物理评论快报》上。这一发明为将来寻觅以及设计高陈数的二维拓扑资料供给了重要的实践指引。

　　量子变态霍尔效应（QAH）是拓扑物理中的焦点征象之一，其显著特性是正在无需外加磁场的前提下发生量子化的霍尔电导。依附这一奇特上风，QAH正在低能耗电子学、多通道拓扑量子计较和自旋电子器件中揭示出广漠的使用远景。值患上夸大的是，更高的拓扑陈数对应更多平行流传的手性边沿通道，可显著升高器件的接触电阻，普及量子霍尔态的击穿电流，从而为成长高机能、低能耗的电子器件供给要害支撑。是以，摸索可以或许浮现高陈数QAH的二维资料系统，成为凝聚态物理与量子资料研究中的重要前沿标的目的。然而，完成低温、可调控、且具有高陈数的量子变态霍尔态依旧面对诸多应战。传统系统每每依赖磁性掺杂或庞大异质布局，这不只使事情温度受限，也难以完成波动、鲁棒的高陈数目子霍尔平台。

图(1):(a)单层M₂X₂的俯视图，(b)侧视图，和(c)其布里渊区示用意。

高对称点正在倒易晶格单元中的坐标划分为：Γ=(0, 0),X = (0.5, 0),Y = (0, 0.5),M = (0.5, 0.5)。

图(2):(a)Ni₂I₂正在有与无自旋轨道耦合(SOC)环境下的能带布局;

(b)沿x标的目的计较获得的拓扑边沿态；

(c)随费米能变迁的变态霍尔电导σxy;(d)-(f)为Fe₂Br₂的对应成果。

　　最近几年来，单层二维磁性资料因其强可设计性、较年夜的能带间隙和较高的铁磁相变温度，被以为是完成高机能QAH态的抱负平台。此中，M₂X₂系列资料（布局如图1所示）依附同时揭示高陈数与高居里温度而备受存眷。然而，一个要害的迷信问题仍未获得解决：只管这些资料的晶体布局不异，它们却表示出大相径庭的拓扑陈数（DFT计较成果见图2）。展现这一差别背地的物理机制，不只有助于深化对高陈数拓扑态造成纪律的懂得，也将为将来设计量子变态霍尔资料供给重要的实践依据。

　　团队联合DFT计较与紧束厄局促模子，体系阐发了单层M₂X₂资料的拓扑性子，说明了其没有同拓扑陈数的内涵物理发源。研究标明，费米能级相近的3d轨道组成及其对应的对称性表现的差别，会招致两类本色没有同的能带反起色制，从而造成没有同的拓扑陈数与拓扑相。

　　图(3):单层Ni₂I₂（a）以及Fe₂Br₂（a）正在无自旋轨道耦合（SOC）环境下沿X→Γ→M路径的费米能级相近能带连通性。

　　第一类能带反起色制：如图3(a)所示，陈数为C = 1的资料正在Γ点产生带反转。以Ni₂I₂为例，费米能级相近的电子态首要由dxz、dyz以及dxy等轨道孝敬。正在布里渊区的X与Y点，因为对称性约束，原胞中两个磁性原子之间的有用彼此作用被严酷克制，招致相干轨道能带浮现双重简并。

　　而正在Γ点，因原胞内磁性原子之间的强彼此作用，轨道简并态产生劈裂：dxy轨道破裂为成键的G3+与反键的G2-态，而dxz以及dyz轨道则凭据对称性造成两个二维简并表现G5±。此中，由dxy轨道造成的成键态能量低于由dxz/dyz轨道所造成的反键态，系统正在Γ点分数占领，造成典型的能带反转特性，这是系统发生C=1拓扑相的底子缘故原由。正在无SOC时，G5-正在Γ点造成双重简并的能带交织；引入SOC后，该交织点关上能隙，系统改变为量子变态霍尔态。基于紧束厄局促模子与对称性指标实践，团队进一步获得Ni₂I₂的拓扑指标Z4R=Z4S=Z2R=Z2I,3=1，与第一性道理计较获得的陈数一致。

　　第二类能带反起色制：如图3(b)所示，以Fe₂Br₂为代表的系统浮现出C=2带反转特性。与Ni₂I₂布局近似，正在X以及Y点两重简并的轨道因为原胞内磁性原子间强彼此作用会劈裂为没有同的成键以及反键态，但Fe₂Br₂布局费米能级相近的能带首要由dz二、dx2-y2与dxy轨道组成，这些轨道正在Γ点造成的成键以及反键态都是单重简并的。因为dxy轨道造成的反键态G2-能量高于dx2-y2轨道造成的反键态能量G3-，凭据能带不成约表现的相容性瓜葛以及C4对称性，系统沿着Γ→±X以及Γ→±Y幸免泛起四个偶尔简并点。正在无SOC时，这些交织点组成拓扑相的要害根蒂根基；引入SOC后，这些交织点均关上能隙，系统改变为拓扑非平淡态。每一个交织点对陈数孝敬为1/2，是以四个等价交织点累计孝敬的总陈数为2。进一步的对称性指标计较成果标明，Z4R=Z4S=2，与第一性道理计较获得的陈数一致。

　　由此可知，费米能级相近3d轨道组成及其对称性表现的差别，会触发两类没有同的能带反起色制，并进一步决议资料所浮现的拓扑陈数与拓扑相。此中，一类由晶体对称性（如C4Z）主导的带反起色制，可正在布里渊区多个对称等价的k点同时产生，从而造成更高的拓扑陈数。这一机制与传统依赖繁多k点产生屡次能带反转以得到高陈数的机制大相径庭。这一机制还可以或许同一诠释LiFeSe、KTiSb、MgFeP和Janus M₂X₂等资料中所观测到的没有同拓扑陈数的发源。

　　本研究展现了一种可以或许同一诠释没有同拓扑陈数发源的新机制，为设计具备本征高陈数的量子变态霍尔效应资料供给了明确而靠得住的实践依据。此类资料正在低能耗自旋电子学器件以及拓扑量子计较平台等前沿范畴具备重要使用后劲，无望正在将来鞭策相干标的目的的深切成长并促进要害技能冲破。本事情中的一切第一性道理计较，包含声子谱、电子能带布局、Berry曲率、霍尔电导和名义态等要害物理量的计较，均由自立研发的ABACUS软件与PYATB软件实现。

　　论文的第一作者是博士生戴祖建（现为合胖人工智能研究院博士后），通信作者为什么力新传授。该研究遭到了中国迷信院，国度天然迷信基金委等的撑持。

　　论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/ktgw-2wx2